Validiertes und prognosefähiges Simulationsmodell für Penetrationsvorgänge in Lehmsteinwänden

© iStock.com/bradleyhebdon

Abbildung 1: Beispiel für Bauweise mit Lehmsteinen.

© Fraunhofer EMI

Abbildung 2: Beispiel für Validierung der Simulation mittels Versuchsdaten.

© Fraunhofer EMI

Abbildung 3: Exemplarische Anwendung des validierten Simulationsmodells für die Simulation der Projektilpenetration in einem vierlagigen Lehmsteinziel (oben) im Vergleich mit dem experimentellen Ergebnis. Man erkennt, dass der berechnete Austrittspunkt für das Projektil mit der Schädigung der Steine im Versuch sehr gut übereinstimmt.

Endballistische Forschung untersucht das Penetrationsverhalten von Projektilen in Werkstoffen. Dabei sind im Laufe vieler Jahrzehnte die auftretenden physikalischen Prozesse für unterschiedlichste Versuchsbedingungen und Parameterbereiche mit wissenschaftlichen Methoden untersucht und in der Regel auch in Modellbeschreibungen überführt worden. Im Ergebnis sind Penetrationsvorgänge von Projektilen in vielen Bereichen mit relativ hoher Genauigkeit vorhersagbar, insbesondere dort, wo klassische Schutzwerkstoffe wie etwa Panzerstähle betrachtet werden. Forschungsbedarf bestand in jüngerer Zeit jedoch hinsichtlich des ballistischen Antwortverhaltens von Bauwerkstoffen. Während beispielsweise Beton im Kontext ziviler Anwendungen, wie dem Schutz von Gebäuden oder Industrieanlagen gegen Bombenanschläge, bereits seit Längerem intensiv charakterisiert wird, haben die Einsätze der Bundeswehr ganz neue Fragen hinsichtlich der ballistischen Schutzwirkung von Gebäudeelementen und Bauwerkstoffen aufgeworfen. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise die Bewertung der Schutzwirkung von Mauerwerk von großem Interesse, um in den Einsatzgebieten Schutz von Zivilbevölkerung und eingesetzten Soldaten gewährleisten zu können. Ein Beispiel für einen in möglichen Einsatzgebieten der Bundeswehr verbreiteten Bauwerkstoff sind Lehmsteine (Abbildung 1). Diese zeigen trotz einer geringen Dichte von einem Gramm pro Kubikzentimeter bis zwei Gramm pro Kubikzentimeter und einer ebenfalls geringen Druckfestigkeit von typischerweise einem Megapascal bis fünf Megapascal ein sehr komplexes Verhalten gegenüber auftreffenden Projektilen, insbesondere hinsichtlich des Versagens und der Fragmentierung.

Um das Antwortverhalten von Lehmsteinwänden bei penetrierenden Impaktvorgängen verstehen und bewerten zu können, wird am Fraunhofer EMI ein wissenschaftlich fundierter Ansatz verfolgt. Dieser beruht auf der Entwicklung und Verwendung von Werkstoffmodellen für die Anwendung in numerischen Simulationsrechnungen. Laborversuche dienen dabei der Validierung der Simulationsmodelle, so dass auf deren Basis prognosefähige Simulationen möglich sind. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist auch, dass die für die verwendeten Modelle benötigen Materialparameter am Fraunhofer EMI mit quasistatischen und dynamischen Prüfverfahren gemessen werden können. Für den hier diskutierten Werkstoff hat sich dabei insbesondere gezeigt, dass es von zentraler Bedeutung ist, das Kompaktierungsverhalten, insbesondere den damit verbundenen Porenkollaps, mit hochdynamischen Versuchsmethoden wie Planarplattenimpaktversuchen grundlegend zu erfassen.

Ausgangspunkt für die Modellierung von Lehmsteinmaterial am Fraunhofer EMI war das RHT-Werkstoffmodell für Beton, das bereits vor etwa 15 Jahren im Rahmen einer Doktorarbeit am Institut entwickelt wurde und sich seitdem als Standard für die Modellierung von Bauwerkstoffen unter großen Deformationsgeschwindigkeiten etabliert hat. Für Lehmstein wurde zunächst aus eigenen und der
Literatur entnommenen Werkstoffuntersuchungen ein RHT-Modellparametersatz abgeleitet. Anschließend wurden Penetrationsvorgänge von Stahlkugeln bei unterschiedlichen Auftreffgeschwindigkeiten simuliert und mit dafür vorliegenden experimentellen Daten verglichen, so dass im Ergebnis ein validiertes Simulationsmodell für Lehmsteinmaterial abgeleitet werden konnte. Abbildung 2 zeigt exemplarisch den Vergleich von Experiment und Simulation anhand der Restgeschwindigkeiten von Stahlkugeln mit 13,5 Millimetern Durchmesser nach der Perforation von Lehmsteinzielen mit Dicken von 71 Millimetern und 142 Millimetern. Die beobachtete Übereinstimmung ist hervorragend. Auf Basis des validierten Modells sind nun vorhersagefähige Simulationen für die Penetration unterschiedlichster Projektile in Lehmsteinwände möglich. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 3 gezeigt: Aufgrund der speziellen Nasenform ist die Penetration des Projektils nicht stabil, so dass es innerhalb der Wand einer gekrümmten Trajektorie folgt. Man erkennt insbesondere, dass das Projektil, in der Simulation und im Experiment übereinstimmend, im vierten Stein seitlich austritt. Dieses in Experimenten beobachtete, sehr komplexe Penetrationsverhalten wird von der Simulation über einen großen Geschwindigkeitsbereich qualitativ und quantitativ wiedergegeben. Auch die Schädigung penetrierter Steine wird vom Modell passend vorhergesagt (Abbildung 4).

© Fraunhofer EMI

Abbildung 4: Beispiel für Schädigung eines perforierten Lehmsteins.

Ausgangspunkt für die Modellierung von Lehmsteinmaterial am Fraunhofer EMI war das RHT-Werkstoffmodell für Beton, das bereits vor etwa 15 Jahren im Rahmen einer Doktorarbeit am Institut entwickelt wurde und sich seitdem als Standard für die Modellierung von Bauwerkstoffen unter großen Deformationsgeschwindigkeiten etabliert hat. Für Lehmstein wurde zunächst aus eigenen und der
Literatur entnommenen Werkstoffuntersuchungen ein RHT-Modellparametersatz abgeleitet. Anschließend wurden Penetrationsvorgänge von Stahlkugeln bei unterschiedlichen Auftreffgeschwindigkeiten simuliert und mit dafür vorliegenden experimentellen Daten verglichen, so dass im Ergebnis ein validiertes Simulationsmodell für Lehmsteinmaterial abgeleitet werden konnte. Abbildung 2 zeigt exemplarisch den Vergleich von Experiment und Simulation anhand der Restgeschwindigkeiten von Stahlkugeln mit 13,5 Millimetern Durchmesser nach der Perforation von Lehmsteinzielen mit Dicken von 71 Millimetern und 142 Millimetern. Die beobachtete Übereinstimmung ist hervorragend. Auf Basis des validierten Modells sind nun vorhersagefähige Simulationen für die Penetration unterschiedlichster Projektile in Lehmsteinwände möglich. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 3 gezeigt: Aufgrund der speziellen Nasenform ist die Penetration des Projektils nicht stabil, so dass es innerhalb der Wand einer gekrümmten Trajektorie folgt. Man erkennt insbesondere, dass das Projektil, in der Simulation und im Experiment übereinstimmend, im vierten Stein seitlich austritt. Dieses in Experimenten beobachtete, sehr komplexe Penetrationsverhalten wird von der Simulation über einen großen Geschwindigkeitsbereich qualitativ und quantitativ wiedergegeben. Auch die Schädigung penetrierter Steine wird vom Modell passend vorhergesagt (Abbildung 4).

Das Fraunhofer EMI hat somit ein prognosefähiges Hydrocode-Simulationsmodell für Lehmsteinwände erstellt. Dies steht nun für Anwendungen im Rahmen von Forschungsprojekten und für Bewertungsfragen zur Verfügung. Somit kann das Penetrationsverhalten unter konkreten Bedingungen analysiert werden, das in der Gesamtheit empfindlich von Auftreffbedingungen und Werkstoffbeschaffenheit abhängt.